介科学研究部

介科学研究部以介科学为核心解决过程工程的共性基础与前沿问题，建立气固、气液、湍流、颗粒等复杂系统和材料与生化等领域的多尺度理论、高效准确的模拟方法和实验手段。

2023年度研究部承担了国家自然科学基金重大项目和院战略性先导科技专项、多行业企业合作等80余课题，在化工主流期刊发表论文60余篇，推动国际介科学组织正式成立并举办东湖·介科学论坛。怀柔科学城介科学与虚拟过程平台基建已竣工备案，完成50%设备采购。

重点进展一：基于格子玻尔兹曼法的快速气固流动模拟框架

将LBM中的浸入运动边界法扩展至颗粒非解析系统以及对复杂构型的描述，建立基于GPU的快速气固流动模拟框架(Chemical Engineering Science, 2024, 283: 119407, Chemical Engineering Journal, 2023, 465: 142898)。在基础研究层面，基于该框架成功捕捉到振荡圆柱绕流的涡脱落特征(Physics of Fluids, 2023, 35: 053618, Featured Article)，并获得各向同性湍流下颗粒与流动的调制作用机制(Physics of Fluids, 2023, 35: 105120)。在应用层面，基于该框架成功实现了埋管流化床模拟、真实鼻腔吸入颗粒物模拟以及多孔介质微球捕获细颗粒的模拟。该框架为复杂结构下气固两相流问题提供了一个准确、快速的解决方案，在多领域具备应用前景。

图1 框架基本原理及部分应用场景

重点进展二：基于离散模拟的智能优化

在离散模拟粗粒化模型EMMS-DPM的基础上，发展了软壳层粗粒化模型，进一步提升了离散模拟的效率(Particuology, 2024, 84: 178-193)，以此实现了350万吨/年最大化异构烷烃 (MIP) 全回路的离散模拟 (Particuology, 2024, 89: 57-66)。并通过离散模拟实现了120万吨/年甲醇制烯烃 (MTO) 反应器1,500种工况的研究，形成了MTO反应器性能数据库，构建了机器学习预测和优化模型 (Particuology, 2024, 89: 131-143)，为实现MTO反应器的智能优化提供了支撑。

图2 软壳层粗粒化模型（a）；MIP全回路离散模拟（b）；MTO反应器模拟与AI优化（c）

重点进展三：高时空分辨率的颗粒射流动力学

开发了一种高时空分辨率的三维颗粒跟踪测速（PTV）方法，结合颗粒图像测速法（PIV），对稀薄颗粒射流进行实验测量，获得了气体和颗粒的平均速度和湍流脉动速度的空间分布。发现颗粒显著改变了气相湍流，拉伸了气体流场，颗粒速度存在强烈的非平衡和各向异性。基于测量数据发展了新的曳力模型，与标准单颗粒曳力相比，该模型显著提高了稀疏射流模拟精度。基于射流相似性理论，建立颗粒浓度演化模型描述颗粒浓度与位移之间的关系，与实验测量结果吻合良好。上述工作发表在Physics of Fluids (2023, 35: 013309)。

图3 时空解析的颗粒射流测试方法及曳力模型

重点进展四：探索质子交换膜水电解性能与多相流动的关系

与其它电解水技术相比，质子交换膜水电解（PEMWE）具有宽负荷适应性、响应速度快等优点。深刻理解多相流在多孔传输层（PTL）和流道内的特性对提高PEMWE的效率至关重要。针对上述问题，本工作开发了一个耦合电化学、两相流动力学以及离子传输的多物理模型来研究高电流密度下PEM电解槽内的多相流及响应时间特性。结果表明，高电流密度下性能恶化的原因是多孔介质层内存在的局部逆气含率梯度导致气体难以有效移除，而增加液速可缓解恶化、改善电解性能，这为电解槽设计和优化指明方向。上述工作发表在AICHE Journal (2023, 69, 12, e18223)。

图4 不同高度和电流密度下沿X方向的气体体积分数；流道中水流速度对PTL沿Y方向气体体积分数的影响